CN205752192U - 一种晶格匹配的五结太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种晶格匹配的五结太阳能电池，以p型Ge单晶片为衬底，在所述衬底上面由下至上依次设置有GaInP成核层、GaInAs缓冲层、AlGaAs/GaInAs DBR反射层、GaInNAs子电池、GaInAs子电池、AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池；AlGaAs/GaInAs DBR反射层和GaInNAs子电池之间通过第一隧道结连接，GaInNAs子电池和GaInAs子电池之间通过第二隧道结连接，GaInAs子电池和AlGaInAs子电池通过第三隧道结连接，AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池通过第四隧道结连接。本实用新型可以提高GaInNAs子电池收集效率，增加五结电池的整体短路电流，而且可以减少GaInNAs子电池厚度，节约生产成本，最终发挥五结电池的优势，提高电池整体光电转换效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及太阳能光伏发电技术领域，尤其是指一种晶格匹配的五结太阳能电池。
背景技术
从光伏发电技术的发展来看，大体可以将太阳能电池分为三大类：第一代晶硅太阳能电池、第二代薄膜太阳能电池和第三代砷化镓多结太阳能电池。目前，砷化镓多结太阳能电池因其转换效率明显高于晶硅电池而被广泛地应用于聚光光伏系统和空间电源系统。传统砷化镓多结电池的主流结构是由GaInP、GaInAs和Ge子电池组成的GaInP/GaInAs/Ge三结太阳能电池，电池结构上整体保持晶格匹配，带隙组合为1.85/1.40/0.67eV。然而，对于太阳光光谱，这种多结电池的结构并不是最佳的，由于GaInAs子电池和Ge子电池之间较大的带隙差距，这种结构下Ge底电池的短路电流最大可接近中电池和顶电池的两倍，由于串联结构的电流限制原因，这种结构造成了很大一部分太阳光能量不能被充分转换利用，限制了电池性能的提高。
理论分析表明，五结太阳能电池可以优化带隙组合，提高电池的光电转换效率，但是在材料选择上必须保持晶格匹配，这样才能保证外延材料的晶体质量。近些年来，研究者发现GaInNAs四元合金材料中，通过调节In和N的组分，并保持In组分约为N组分的3倍，就能得到光学带隙在0.9～1.4eV之间的GaInNAs材料，并且与Ge衬底(或GaAs衬底)晶格匹配。因此，基于Ge衬底可以生长得到AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五结太阳能电池，该五结电池的带隙组合可调节为2.0～2.2/1.6～1.8/1.4/1.0～1.2/0.67eV，接近五结电池的最佳带隙组合，其地面光谱聚光效率极限可达50％，空间光谱极限效率可达36％，远高于传统三结电池，这主要是因为五结电池可以更加充分地利用太阳光，提高电池的开路电压和填充因子。
在GaInNAs子电池的实际制备过程中，由于GaInNAs材料的背景载流子浓度过高，会减小材料的少子扩散长度。此时，若GaInNAs材料层太厚，并不能形成对光生载流子的有效收集；若GaInNAs材料层太薄则不能将相应波段的光子完全吸收。因此，在GaInNAs子电池下面设置布拉格反射层(DBR)可以有效解决该问题，有效降低GaInNAs电池设计厚度。在结构设计中，可以通过调节DBR结构反射相应波段的太阳光，使第一次没有被GaInNAs材料所吸收的光子反射回去被二次吸收，相当于变相地增加了GaInNAs的“有效吸收厚度”，完美解决了少子扩散长度较小和吸收厚度要求之间的矛盾，提高了电池的短路电流。另外，由于提供N原子的有机源(一般是二甲基肼源)价格比一般的有机源都要高出很多，减小GaInNAs材料层厚度还可以降低电池的生产成本。
综上，这种AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五结太阳能电池既可以满足五结电池的晶格匹配要求，又能解决实际制备过程中GaInNAs材料少子扩散长度较小的问题，还可以节约电池的生产成本，可最大程度地发挥五结电池的优势，提高电池效率。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提出一种晶格匹配的五结太阳能电池，可以提高GaInNAs子电池收集效率，增加五结电池的整体短路电流，而且可以减少GaInNAs子电池厚度，节约生产成本，最终发挥五结电池的优势，提高电池整体光电转换效率。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种晶格匹配的五结太阳能电池，包括有Ge衬底，所述Ge衬底为p型Ge单晶片；在所述Ge衬底上面按照层状叠加结构由下至上依次设置有GaInP成核层、GaInAs缓冲层、AlGaAs/GaInAs DBR反射层、GaInNAs子电池、GaInAs子电池、AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池；所述AlGaAs/GaInAs DBR反射层和GaInNAs子电池之间通过第一隧道结连接，所述GaInNAs子电池和GaInAs子电池之间通过第二隧道结连接，所述GaInAs子电池和AlGaInAs子电池通过第三隧道结连接，所述AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池通过第四隧道结连接。
所述GaInP成核层、GaInAs缓冲层、AlGaAs/GaInAs DBR反射层、GaInNAs子电池、GaInAs子电池、AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池的所有材料层与Ge衬底保持晶格匹配。
所述GaInP成核层为n型掺杂层，电子浓度为1×18/cm3～1×19/cm3,厚度为5～20nm；所述GaInAs缓冲层为n型掺杂层，电子浓度为5×17/cm3～1×19/cm3,厚度为500～1500nm；所述AlGaAs/GaInAs DBR的反射波长为900～1200nm，其中AlGaAs/GaInAs组合层的对数为10～30对。
所述第一隧道结为p-GaInNAs/n-GaInNAs结构，其中p-GaInNAs和n-GaInNAs的厚度均为6～60nm；所述第二隧道结为p-GaAs/n-GaAs结构，其中p-GaAs和n-GaAs的厚度均为8～80nm；所述第三隧道结为p-AlGaAs/n-AlGaAs结构，其中p-AlGaAs和n-AlGaAs的厚度均为10～100nm；所述第四隧道结为p-AlGaInP/n-AlGaInP结构，其中p-AlGaInP和n-AlGaInP的厚度均为10～100nm。
所述GaInNAs子电池中电池总厚度为1500～3000nm，GaInNAs材料的光学带隙为1.0～1.2eV。
所述GaInAs子电池中电池总厚度为1500～3000nm，GaInAs材料的光学带隙为1.38～1.42eV。
所述AlGaInAs子电池中电池总厚度为1500～2500nm，AlGaInAs材料的光学带隙为1.6～1.8eV。
所述AlGaInP子电池中电池总厚度为400～1000nm，AlGaInP材料的光学带隙为2.0～2.2eV。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本实用新型的关键是在保持五结太阳能电池所有材料层的整体晶格匹配的条件下，将DBR反射层引入到五结电池结构中，在GaInNAs子电池下方插入AlGaAs/GaInAs DBR反射层，通过调节DBR结构参数，使第一次没有被GaInNAs材料的吸收光子反射回去被二次吸收，相当于变相地增加了GaInNAs的“有效吸收厚度”，完美解决了少子扩散长度较小和吸收厚度要求之间的矛盾。该电池结构既可以满足五结电池的晶格匹配要求，又能解决实际制备过程中GaInNAs材料少子扩散长度较小的问题，还可以节约电池的生产成本，可最大程度地发挥五结电池的优势，提高电池效率。
采用本实用新型制作的五结太阳能电池能够在电池材料整体上保持晶格匹配，并通过引入DBR反射层增加GaInNAs子电池电流，使得GaInNAs子电池的短路电流不再限制五结电池整体的电流，五结电池整体上保持电流匹配，提高电池的光电转换性能。根据分析，在AM0空间光谱下，相比没有DBR反射层结构的五结电池，本实用新型制作的五结电池短路电流Jsc可以达到12mA/cm2，转换效率达到35％，光电性能得到明显提高。
采用本实用新型制作的五结太阳能电池能够在电池材料整体上保持晶格匹配，减少材料缺陷，提高电池的开路电压。根据分析，采用高带隙材料的AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五结电池在开路电压可达到4.7V以上，从而可以明显提高电池转换效率。传统GaInP/GaInAs/Ge三结电池在AM0光谱下的转换效率可达到30％，而经过分析对比，本实用新型所述的晶格匹配的五结太阳能电池在AM0光谱下的转换效率可达到35％，可大大提高空间电源的输出功率。
附图说明
图1为本实用新型的五结太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，本实施例所述的晶格匹配的五结太阳能电池，包括有Ge衬底1，所述Ge衬底1为p型Ge单晶片；在所述Ge衬底1上面按照层状叠加结构由下至上依次设置有GaInP成核层2、GaInAs缓冲层3、AlGaAs/GaInAs DBR反射层4、GaInNAs子电池5、GaInAs子电池6、AlGaInAs子电池7和AlGaInP子电池8；所述AlGaAs/GaInAs DBR反射层4和GaInNAs子电池5之间通过第一隧道结9连接，所述GaInNAs子电池5和GaInAs子电池6之间通过第二隧道结10连接，所述GaInAs子电池6和AlGaInAs子电池7通过第三隧道结11连接，所述AlGaInAs子电池7和AlGaInP子电池8通过第四隧道结12连接。
所述GaInP成核层2、GaInAs缓冲层3、AlGaAs/GaInAs DBR反射层4、GaInNAs子电池5、GaInAs子电池6、AlGaInAs子电池7和AlGaInP子电池8的所有材料层与Ge衬底1保持晶格匹配。
所述GaInP成核层2为n型掺杂层，电子浓度为1×18/cm3～1×19/cm3,优选3×18/cm3,厚度为5～20nm，优选5nm。
所述GaInAs缓冲层3为n型掺杂层，电子浓度为5×17/cm3～1×19/cm3,优选2×18/cm3,厚度为500～1500nm，优选500nm。
所述AlGaAs/GaInAs DBR的反射波长为900～1200nm，其中AlGaAs/GaInAs 组合层的对数为10～30对，优选10对。
所述第一隧道结9为p-GaInNAs/n-GaInNAs结构，其中p-GaInNAs和n-GaInNAs的厚度均为6～60nm，优选6nm。
所述GaInNAs子电池5中电池总厚度为1500～3000nm，优选1500nm，GaInNAs材料的光学带隙为1.0～1.2eV，优选1.0eV。
所述第二隧道结10为p-GaAs/n-GaAs结构，其中p-GaAs和n-GaAs的厚度均为8～80nm，优选8nm。
所述GaInAs子电池6中电池总厚度为1500～3000nm，优选1500nm，GaInAs材料的光学带隙为1.38～1.42eV，优选1.40eV。
所述第三隧道结11为p-AlGaAs/n-AlGaAs结构，其中p-AlGaAs和n-AlGaAs的厚度均为10～100nm，优选10nm。
所述AlGaInAs子电池7中电池总厚度为1500～2500nm，优选1500nm，AlGaInAs材料的光学带隙为1.6～1.8eV，优选1.7eV。
所述第四隧道结12为p-AlGaInP/n-AlGaInP结构，其中p-AlGaInP和n-AlGaInP的厚度均为10～100nm，优选10nm。
所述AlGaInP子电池8中电池总厚度为400～1000nm，优选400nm，AlGaInP材料的光学带隙为2.0～2.2eV，优选2.1eV。
下面为本实施例上述晶格匹配的五结太阳能电池的具体制作方法，该方法包括但不局限于金属有机物化学气相沉积技术、分子束外延技术和气相外延技术，优先采用金属有机物化学气相沉积技术，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：选择一衬底，该衬底为p型Ge衬底。
步骤2：采用金属有机物化学气相沉积技术，在p型Ge衬底上生长一层低温的GaInP成核层，生长温度为500～600℃，优选范围为500～550℃；该低温GaInP成核层的生长速率为6～40nm/min，优选范围为6～20nm/min；该低温GaInP成核层用于增加衬底表面的成核密度。
步骤3：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在GaInP成核层上生长GaInAs缓冲层；该缓冲层生长温度为550～650℃，优选范围为600～650℃；该缓冲层的生长速率为60～300nm/min，优选范围为100～200nm/min；该缓冲层用于减少外延层的缺陷密度，提高晶体质量。
步骤4：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在GaInAs缓冲层上生长AlGaAs/GaInAs DBR反射层；该DBR反射层生长温度为500～700℃，优选范围为600～700℃；该DBR反射层的生长速率为10～60nm/min，优选范围为10～40nm/min；该DBR反射层用于反射长波范围的光子。
步骤5：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在AlGaAs/GaInAs DBR反射层上生长第一隧道结；该隧道结生长温度为450～600℃，优选范围为500～550℃；该隧道结的生长速率为10～60nm/min，优选范围为10～30nm/min；该隧道结是五结太阳能电池的一部分。
步骤6：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第一隧道结上生长GaInNAs子电池；该子电池生长温度为450～600℃，优选范围为450～550℃；该子电池的生长速率为10～100nm/min，优选范围为10～50nm/min；该子电池是五结太阳能电池的一部分。
步骤7：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在GaInNAs子电池上生长第二隧道结；该隧道结生长温度为500～600℃，优选范围为550～600℃；该隧道结的生长速率为15～50nm/min，优选范围为15～30nm/min；该隧道结是五结太阳能电池的一部分。
步骤8：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第二隧道结上生长GaInAs子电池；该子电池生长温度为600～700℃，优选范围为600～650℃；该子电池的生长速率为60～300nm/min，优选范围为100～200nm/min；该子电池是五结太阳能电池的一部分。
步骤9：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在GaInAs子电池上生长第三隧道结；该隧道结生长温度为400～600℃，优选范围为450～550℃；该隧道结的生长速率为15～60nm/min，优选范围为15～30nm/min；该隧道结是五结太阳能电池的一部分。
步骤10：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第三隧道结上生长AlGaInAs子电池；该子电池生长温度为600～800℃，优选范围为700～800℃；该子电池的生长速率为40～300nm/min，优选范围为150～300nm/min；该子电池是五结太阳能电池的一部分。
步骤11：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在AlGaInAs子电池上生长第四隧道结；该隧道结生长温度为400～600℃，优选范围为500～600℃；该隧道结的生长速率为10～40nm/min，优选范围为10～20nm/min；该隧道结是五结太阳能电池的一部分。
步骤12：采用金属有机物化学气相沉积技术，改变生长条件，在第四隧道结上生长AlGaInP子电池；该子电池生长温度为600～800℃，优选范围为700～800℃；该子电池的生长速率为15～80nm/min，优选范围为15～40nm/min；该子电池是五结太阳能电池的一部分。
综上所述，本实用新型的关键是在保持五结太阳能电池所有材料层的整体晶格匹配的条件下，将DBR反射层引入到五结电池结构中，在GaInNAs子电池下方插入AlGaAs/GaInAs DBR反射层，通过调节DBR结构参数，使第一次没有被GaInNAs材料的吸收光子反射回去被二次吸收，相当于变相地增加了GaInNAs的“有效吸收厚度”，完美解决了少子扩散长度较小和吸收厚度要求之间的矛盾。该电池结构既可以满足五结电池的晶格匹配要求，又能解决实际制备过程中GaInNAs材料少子扩散长度较小的问题，还可以节约电池的生产成本，可最大程度地发挥五结电池的优势，提高电池效率。
采用本实用新型制作的五结太阳能电池能够在电池材料整体上保持晶格匹配，并通过引入DBR反射层增加GaInNAs子电池电流，使得GaInNAs子电池的短路电流不再限制五结电池整体的电流，五结电池整体上保持电流匹配，提高电池的光电转换性能。根据分析，在AM0空间光谱下，相比没有DBR反射层结构的五结电池，本实用新型制作的五结电池短路电流Jsc可以达到12mA/cm2，转换效率达到35％，光电性能得到明显提高，如下表1所示。
表1无DBR反射层和有DBR反射层结构的五结太阳能电池在AM0光电性能分析
采用本实用新型制作的五结太阳能电池能够在电池材料整体上保持晶格匹配，减少材料缺陷，提高电池的开路电压。根据分析，采用高带隙材料的AlGaInP/AlGaInAs/GaInAs/GaInNAs/Ge五结电池在开路电压可达到4.7V以上，从而可以明显提高电池转换效率。传统GaInP/GaInAs/Ge三结电池在AM0光谱下的转换效率可达到30％，而经过分析对比，本实用新型所述的晶格匹配的五结太阳能电池在AM0光谱下的转换效率可达到35％，可大大提高空间电源的输出功率，如下表2所示。
表2传统三结电池和晶格匹配五结电池在AM0空间光谱下的光电性能分析
以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。
Claims (8)
1.一种晶格匹配的五结太阳能电池，包括有Ge衬底，其特征在于：所述Ge衬底为p型Ge单晶片；在所述Ge衬底上面按照层状叠加结构由下至上依次设置有GaInP成核层、GaInAs缓冲层、AlGaAs/GaInAs DBR反射层、GaInNAs子电池、GaInAs子电池、AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池；所述AlGaAs/GaInAsDBR反射层和GaInNAs子电池之间通过第一隧道结连接，所述GaInNAs子电池和GaInAs子电池之间通过第二隧道结连接，所述GaInAs子电池和AlGaInAs子电池通过第三隧道结连接，所述AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池通过第四隧道结连接。
2.根据权利要求1所述的一种晶格匹配的五结太阳能电池，其特征在于：所述GaInP成核层、GaInAs缓冲层、AlGaAs/GaInAs DBR反射层、GaInNAs子电池、GaInAs子电池、AlGaInAs子电池和AlGaInP子电池的所有材料层与Ge衬底保持晶格匹配。
3.根据权利要求1所述的一种晶格匹配的五结太阳能电池，其特征在于：所述GaInP成核层为n型掺杂层，电子浓度为1×18/cm3～1×19/cm3,厚度为5～20nm；所述GaInAs缓冲层为n型掺杂层，电子浓度为5×17/cm3～1×19/cm3,厚度为500～1500nm；所述AlGaAs/GaInAsDBR的反射波长为900～1200nm，其中AlGaAs/GaInAs组合层的对数为10～30对。
4.根据权利要求1所述的一种晶格匹配的五结太阳能电池，其特征在于：所述第一隧道结为p-GaInNAs/n-GaInNAs结构，其中p-GaInNAs和n-GaInNAs的厚度均为6～60nm；所述第二隧道结为p-GaAs/n-GaAs结构，其中p-GaAs和n-GaAs的厚度均为8～80nm；所述第三隧道结为p-AlGaAs/n-AlGaAs结构，其中p-AlGaAs和n-AlGaAs的厚度均为10～100nm；所述第四隧道结为p-AlGaInP/n-AlGaInP结构，其中p-AlGaInP和n-AlGaInP的厚度均为10～100nm。
5.根据权利要求1所述的一种晶格匹配的五结太阳能电池，其特征在于：所述GaInNAs子电池中电池总厚度为1500～3000nm，GaInNAs材料的光学带隙为1.0～1.2eV。
6.根据权利要求1所述的一种晶格匹配的五结太阳能电池，其特征在于：所述GaInAs子电池中电池总厚度为1500～3000nm，GaInAs材料的光学带隙为1.38～1.42eV。
7.根据权利要求1所述的一种晶格匹配的五结太阳能电池，其特征在于：所述AlGaInAs子电池中电池总厚度为1500～2500nm，AlGaInAs材料的光学带隙为1.6～1.8eV。
8.根据权利要求1所述的一种晶格匹配的五结太阳能电池，其特征在于：所述AlGaInP子电池中电池总厚度为400～1000nm，AlGaInP材料的光学带隙为2.0～2.2eV。
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| CN105810760A (zh) * | 2016-05-12 | 2016-07-27 | 中山德华芯片技术有限公司 | 一种晶格匹配的五结太阳能电池及其制作方法 |
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- 2016-05-12 CN CN201620437416.4U patent/CN205752192U/zh active Active
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| CN105810760A (zh) * | 2016-05-12 | 2016-07-27 | 中山德华芯片技术有限公司 | 一种晶格匹配的五结太阳能电池及其制作方法 |
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| Date | Code | Title | Description |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |